水體富營養化動態抑制裝置

我國許多地方湖泊都存在水體富營養化的情況， 嚴重影響了水產養殖業的發展和生態環境的保護。目前，主流的葉輪與耕水機等傳統機械式充氧機充氧速度與效率僅約10%，橡膠管微泡充氧也僅為30%，這些設備體積大且能耗高。

因此，需要設計一種高效智能化的水體富營養化動態抑制裝置，讓其既能抑制水體富營養化又能處理底層污水，保持或恢復水體的自凈能力。

一、高效充氧機構——“肺束”仿生構思

肺的通氣是肌肉收縮和舒張造成肺內氣壓低于和高于大氣壓，從而使氣體進出肺部。肺泡的氣體交換則是毛細血管中的氧濃度低于肺泡內氧濃度（二氧化碳相反），從而使氧氣進入毛細管血液（二氧化碳進入肺泡）即由高濃度向低濃度擴散的滲透原理。

肺能高效吸收氧氣的器官就是肺泡毛細血管，毛細血管上分布著密密麻麻的微孔，具有極大的通氣量和比表面積，對氧氣有較高的選擇透過性。

能否找到或人工合成類似毛細血管結構的材料？能否在一定動力條件下，促使空氣的氧氣選擇性地透過這種材料，進入水體充氧，而讓空氣的氮氣排空？

通過查閱文獻，一些類似于肺泡毛細血管的有機高分子合成纖維被人們稱為“肺束”，它比微管曝氣充氧產生的氣泡直徑更小、穩定性更好，且與水體接觸比表面積非常大，充氧效率極有可能明顯優于目前主流的微管曝氣充氧。

利用疏水性微孔膜無泡供氧時，由于水不能浸潤膜，膜微孔始終保持干燥，氣體直接通過膜上的微孔從氣相轉移到液相。實際操作中需要把氣壓控制在泡點以下，以保障形成能久溶于水體的微細氣泡，避免氣泡過大、過激從水中迅速逃逸至空氣中。

膜材料的選擇是“肺束”充氧機構的關鍵，本項目通過膜通量及氧氮選擇性等技術測試，選擇了綜合性能最優的日本產SS膜作為肺束材料進行研究。

二、肺束充氧機構工作原理

光伏空壓機把壓縮空氣經流量計和壓力表壓入肺束充氧機構進氣管。壓縮空氣從進氣管經過旋轉接頭進入肺束模組。在保持氣壓低于泡點條件下，讓壓縮空氣流經肺束模組內的肺束膜管，其中氧氣分子選擇性透過纖維管壁上廣泛分布的極細小膜孔，形成肉眼難以看見的極微小氣泡，溶入膜外水體中，提高水體的溶氧量。經過一定時間后，未通過肺束膜的富氮空氣通過排氮管排空。

充氧和排氮交替進行可減小充氧阻力并提高充氧效率。利用控制模塊控制變頻電機，帶動肺束充氧機構變速旋轉。該旋轉作用有兩點，一是加快水體循環，加速高溶氧水體的擴散，使水體溶氧更均勻，二是產生沖擊肺束膜的剪切力，使富氧氣泡更易脫離肺束膜，快速溶入水體，增加溶氧量，避免微小氣泡聚集形成大氣泡，并防止懸浮顆粒堵塞膜孔。

基于以上研究，我們的整體設計方案見圖2。

該裝置由肺束與空壓機構、光伏提水與生物凈化機構、水質采集與信息控制機構等組成。通過實時監測水體富營養化過程，在水質接近富營養化的臨界點時自動啟動本裝置，為水體生物提供足夠的溶氧，提高水體自凈能力，抑制水體富營養化。

由于肺束充氧機構比表面積大、富氧膜在變速旋轉產生剪切力，促使肉眼難以看見的微小富氧氣泡溶于水體，再加上間歇式充氧排氮的工作方式，為好氧微生物氧化降解氮磷和有機物提供保障。

為了水體溶氧量及底層污水的實時監測處理，本機構采用光伏電池系統（含光伏板、蓄電池、逆變器等）、水泵、溶氧量及水質傳感器、生物凈化床等協調作用，實現設計功能。

本裝置具有水質富營養化臨界點測定、水體高效充氧、水體凈化以及智能控制等基本功能。經測試，本裝置充氧效率達90%，既能處理底層富營養化水體，又能通過高效充氧，利用好氧微生物氧化降解氮、磷和有機物，抑制水體富營養化，恢復水體的自凈能力，具有良好的環保和生產應用前景。（指導老師：段家鐵 蔣銀生）